第一章 第6节 反冲现象 火箭-【优学精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第一册教用word（人教版）

第6节　反冲现象　火箭 1．了解反冲运动的概念及反冲运动的一些应用。　2.知道反冲运动的原理。　3.能够应用动量守恒定律解决反冲运动问题。　4.了解火箭的工作原理及决定火箭最终速度大小的因素。　5.会利用反冲运动原理分析“人船模型”问题。 一、反冲现象 1．定义 一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动的现象。 2．规律 反冲运动中，系统内力很大，外力可忽略，满足动量守恒定律。 3．反冲现象的应用及防止 (1)防止：用枪射击时，由于枪身的______会影响射击的准确性，所以用步枪射击时要把枪身抵在肩部，以减少反冲的影响。 (2)应用：农田、园林的喷灌装置利用反冲使水从喷口喷出时，一边喷水一边________。 二、火箭 1．工作原理：应用________的原理，靠喷出气流的反冲作用而获得巨大的速度。 2．影响火箭获得速度大小的两个因素 火箭喷出燃气的速度________、火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比______，火箭获得的速度越大。 判断下列说法是否正确。 (1)一切反冲现象都是有益的。(　　) (2)乌贼的运动利用了反冲的原理。(　　) (3)火箭点火后离开地面加速向上运动，是地面对火箭的反作用力作用的结果。(　　) (4)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行。(　　) (5)火箭发射时，火箭获得的机械能来自燃料燃烧释放的化学能。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√ [答案自填] 反冲　旋转　反冲　越大　越大 知识点一　对反冲现象的理解和分析 点燃“窜天猴”的药捻，“窜天猴”向下喷出气体，同时“窜天猴”飞向高空。结合该实例，回答下列问题： (1)反冲运动的物体受力有什么特点？ (2)反冲运动过程中系统的动量、机械能有什么变化？ [提示]　(1)物体的不同部分受相反的作用力，在内力作用下向相反方向运动。 (2)反冲运动中，相互作用的内力一般情况下远大于外力，所以系统的动量守恒；反冲运动中，由于有其他形式的能转化为机械能，所以系统的机械能增加。 1．反冲运动的特点 (1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。 (2)在反冲运动中，相互作用力一般较大，通常可以用动量守恒定律来处理。 (3)速度关系：反冲现象中，若系统的初始动量为0，则动量守恒定律的形式变为0＝m1v1＋m2v2，此式表明，发生反冲现象的两部分的动量大小相等、方向相反，它们的速度方向相反、大小与质量成反比。 (4)在反冲运动中，由于有其他形式的能转化为机械能，所以系统的总动能增加。 2．应注意的问题 (1)速度的方向 对于原来静止的整体，抛出部分与剩余部分的运动方向必然相反。在列动量守恒方程时，可任意规定某一部分的运动方向为正方向，则反方向的速度应取负值。 (2)相对速度问题 在反冲运动中，有时遇到的速度是两物体的相对速度。此类问题中应先将相对速度转换成对地的速度，再列动量守恒定律方程。 (3)变质量问题 如在火箭的运动过程中，随着燃料的消耗，火箭本身的质量不断减小，此时必须取火箭本身和在相互作用的短时间内喷出的所有气体为研究对象，取相互作用的这个过程为研究过程来进行研究。 　下列图中描述的几种现象不属于反冲现象的是(　　) [解析]　蝴蝶利用“喷气”来完成洲际旅行，是反冲现象，故A不符合题意；鱿鱼将吸入的水用力喷出，快速地向外游窜，是反冲现象，故B不符合题意；鸡蛋落在海绵垫子上，完好无损，这是延长了鸡蛋和海绵的作用时间，减小了作用力，是缓冲现象，故C符合题意；航天员进行无绳太空漫步时，喷气背包喷出的气体控制其运动，是反冲现象，故D不符合题意。 [答案]　C 　如图所示，我国自行研制的第五代隐形战机“歼—20”以速度v0水平向右匀速飞行，到达目标地时，将战机上质量为M的导弹自由释放，与此同时，导弹向后喷出质量为m、对地速率为v1的燃气，则对喷气后瞬间导弹的速率下列表述正确的是(　　) A．速率变大，为 B．速率变小，为 C．速率变小，为 D．速度变大，为 [解析]　设导弹飞行的方向为正方向，由动量守恒定律可得Mv0＝(M－m)v－mv1，解得喷气后瞬间导弹的速率v＝>v0。 [答案]　A 　如图所示，一个连同装备总质量M＝100 kg的航天员，装备内有一个喷嘴可以使压缩气体以相对于空间站v＝50 m/s的速度喷出。航天员在距离空间站s＝45 m处与空间站处于相对静止状态，航天员完成太空行走任务后，必须向着返回空间站方向的反方向释放压缩气体，才能回到空间站，喷出的气体总质量m＝0.15 kg，返回时间约为(　　) A.300 s　　　　　　　 B．400 s C．600 s D．800 s [解析]　因m≪M，则喷出的气体的质量可忽略不计，取喷出的气体速度方向为正方向，根据动量守恒定律可得mv－Mv1＝0，航天员匀速返回空间站所需要的时间t＝，联立得t＝600 s。 [答案]　C 知识点二　火箭发射和爆炸类问题 1．火箭发射问题 (1)火箭的速度 设火箭在Δt时间内喷射燃气的质量为Δm，速度为u，喷出燃气后火箭的质量为m，获得的速度为v，由动量守恒定律有0＝mv＋Δmu，得v＝－u。 (2)决定因素 火箭获得速度取决于燃气喷出的速度u及喷出燃气质量与火箭本身质量之比两个因素。 (3)多级火箭 由于受重力的影响，单级火箭达不到发射人造地球卫星所需要的7.9 km/s，实际火箭为多级。多级火箭发射时，质量较大的第一级火箭燃烧结束后，便自动脱落，接着第二级、第三级依次工作，燃烧结束后自动脱落，这样可以不断地减小火箭壳体的质量，减轻负担，使火箭达到远远超过使用同样多的燃料的一级火箭所能达到的速度。目前多级火箭一般都是三级火箭，因为三级火箭能达到目前发射人造卫星的需求。 2．爆炸类问题的特点 (1)动量守恒：爆炸是在极短的时间内完成的，爆炸物体间的相互作用力远远大于受到的外力。 (2)动能增加：在爆炸过程中，有其他形式的能量(如化学能)转化为动能。 (3)位移为零：爆炸时间极短，物体产生的位移很小，可忽略不计，可认为爆炸前后位置不变。 角度1　火箭发射问题 　某物理兴趣社在社团活动中发射水火箭如图所示，已知水火箭总质量为3 kg，在极短时间内将2 kg的水以对地8 m/s的速度喷出。空气阻力可忽略，g取10 m/s2下列说法正确的是(　　) A．该过程中系统机械能守恒 B．水火箭靠空气给的反作用力加速 C．喷水后水火箭获得的速度为20 m/s D．水火箭上升的最大高度约为12.8 m [解析]　该过程中系统的动能和重力势能都增大，系统机械能不守恒，故A错误；水火箭靠压出的水给的反作用力加速，故B错误；由动量守恒定律有0＝－mv1＋(M－m)v2，得喷水后水火箭获得的速度v2＝16 m/s，故C错误；水火箭上升的最大高度约为h＝＝12.8 m，故D正确。 [答案]　D 　(2025·黑龙江牡丹江一中期中)一质量为M的火箭喷气发动机每次喷出气体的质量为m，气体离开发动机喷出时的速度大小为v0，从火箭静止开始，当第4次喷出气体后，火箭的速度大小为(　　) A．　　　　 　　 B． C． D． [解析]　设喷出四次气体后火箭的速度为v，以火箭和喷出的四次气体为研究对象，根据动量守恒定律得(M－4m)v－4mv0＝0，可得v＝。 [答案]　A 角度2　爆炸类问题 　一弹丸在飞行到距离地面5 m高时仅有水平向右的速度v0＝2 m/s，爆炸成为甲、乙两块弹片水平飞出，甲、乙的质量之比为5∶1。不计质量损失，重力加速度g取10 m/s2，则下列图中两块弹片飞行的轨迹可能正确的是(　　) [解析]　规定向右为正方向，设弹丸的质量为6m，则甲的质量为5m，乙的质量为m，弹丸爆炸前后甲、乙两块弹片在水平方向不受外力，则水平方向满足动量守恒定律，爆炸后甲的速度为v1，乙的速度为v2，则有6mv0＝5mv1＋mv2，即12 m/s＝5v1＋v2，两块弹片都做平抛运动，高度一样，则运动时间相等，有t＝＝ s＝1 s，两块弹片在水平方向做匀速运动，有x1＝v1t，x2＝v2t，则有12 m＝5x1＋x2，结合图像可知，仅选项A的位移满足上述表达式。 [答案]　A 知识点三　“人船模型”问题 如图所示，一质量为m的人站在一质量为M的船头上，开始时人、船均静止，现在人从船头走向船尾。(水对船的阻力很小) (1)该过程中，人和船组成的系统动量守恒吗？两者速度是什么关系？ (2)该过程中两者对地位移有何关系？ [提示]　(1)该过程中，水的阻力忽略不计，人和船的动量守恒，两者速度大小满足mv1＝Mv2，方向相反。 (2)由于mv1＝Mv2，又∑mv1Δt＝∑Mv2Δt，则mx1＝Mx2，即＝。 1．模型介绍：两个原来静止的物体发生相互作用时，若所受外力的矢量和为0，则动量守恒。在相互作用的过程中，任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的反比。这样的问题归为“人船模型”问题。 2．运动特点：两个物体的运动特点是“人”走“船”行，“人”停“船”停。 3．解题关键 (1)利用动量守恒，先确定两物体的速度关系，再确定两物体通过的位移关系。用动量守恒定律求位移的题目，大多是系统原来处于静止状态，然后系统内物体相互作用，此时动量守恒表达式经常写成m1v1－m2v2＝0的形式，式中v1、v2是m1、m2末状态时的瞬时速率。此种状态下动量守恒的过程中，任意时刻的系统总动量为0。因此任意时刻的瞬时速率v1和v2都与各物体的质量成反比，所以全过程的平均速度也与质量成反比，即有m1v1－m2v2＝0。如果两物体相互作用的时间为t，在这段时间内两物体的位移大小分别为x1和x2，在任意一小段时间Δt内，有m1v1Δt＝m2v2Δt，在t时间内求和，则有m1－m2＝0，即m1x1－m2x2＝0。 (2)画出各物体的位移关系图，找出它们相对于地面的位移的关系。 4．方法推广：原来静止的系统在某一个方向上动量守恒，运动过程中，在该方向上速度方向相反，也可应用处理人船模型问题的思路来处理。例如，小球沿弧形槽滑下，求弧形槽移动距离的问题。 　(2025·湖北咸宁市期中)平静的水面上停着一只小船，船头站立着一个人，人的质量m＝50 kg，船的质量M＝100 kg，从某时刻起，人以v＝10 m/s的速度向船尾走去，走到船尾时他突然停止走动。不计水对船的阻力，船长L＝6 m，则下列说法正确的是(　　) A．人在船上走动过程中，船的速度为10 m/s B．人在船上走动过程中，人的位移是船的位移的2倍 C.走动时人的动量大于小船的动量 D．人突然停止走动后，小船由于惯性的缘故还会继续运动 [解析]　对船和人组成的系统，水平方向上动量守恒，以人速度方向为正方向，由动量守恒定律得mv－Mv′＝0，可得人在船上走动过程中，船的速度v′＝＝ m/s＝5 m/s，故A错误；人从船头走到船尾，设人和船对地发生的位移大小分别为s1和s2，由动量守恒定律得m－M＝0，其中s1＋s2＝L，解得s1＝4 m，s2＝2 m，即人在船上走动过程中，人的位移是船的位移的2倍，故B正确；由系统动量守恒可知，走动时人的动量与小船的动量等大、反向，故C错误；人“突然停止走动”是指人和船相对静止，设这时人、船的速度为v，则(m＋M)v＝0，所以v＝0，说明船的速度立即变为零，故D错误。 [答案]　B 　(2025·湖北高二联考期中)如图所示，大气球质量为25 kg，载有质量为50 kg的人，静止在空气中距地面20 m高的地方，气球下方悬一根质量可忽略不计的绳子，此人想从气球上沿绳慢慢下滑至地面，为了安全到达地面，则绳长至少为(不计人的身高，可以把人看作质点)(　　) A．20 m　　　 　　　　 B．40 m C．50 m D．60 m [解析]　设人的质量为m1，气球的质量为m2，系统所受重力与浮力平衡，合外力为零，根据动量守恒定律有m1v1＝m2v2，人与气球运动的距离分别为h＝v1t＝20 m，x＝v2t，得＝，又h＋x＝l，代入数据，绳长至少为l＝60 m。 [答案]　D 1．(对反冲现象的理解和分析)下列运动不属于反冲现象的是(　　) A．乒乓球碰到墙壁后弹回 B．发射炮弹后炮身后退 C．喷气式飞机喷气飞行 D．火箭升空 解析：选A。系统在内力作用下，当一部分向某一方向的动量发生变化时，剩余部分沿相反方向的动量发生同样大小变化的现象是反冲现象。乒乓球碰到墙壁后弹回是因为受到了墙壁的作用力，不是反冲现象；发射炮弹后炮身后退，是反冲现象；喷气式飞机是利用飞机与气体间的相互作用，而促进飞机前进的，故属于反冲现象；火箭升空是利用反冲原理，是反冲现象。故A符合题意，B、C、D不符合题意。 2．(火箭发射问题)在火箭点火发射瞬间，质量为m的燃气以大小为v的速度从火箭喷口在很短时间内喷出。已知发射前火箭的质量为M，则在燃气喷出后的瞬间，火箭的速度大小为(燃气喷出过程不计重力和空气阻力的影响)(　　) A.v　　　　　　　　　 B．2v C．v D．v 解析：选D。以向上为正方向，由动量守恒定律可得v′－mv＝0，解得v′＝v，D正确。 3．(爆炸类问题)(2025·贵州贵阳统考期中)一枚烟花弹(可视为质点)自水平地面斜向上方发射，在最高点时，爆裂成质量相等的甲、乙、丙三块(均可视为质点)，爆裂之后乙由静止做自由落体运动，丙沿烟花弹发射的路径回落至发射点。若忽略空气阻力，则爆裂瞬间甲与丙速率的比值为(　　) A．4 B．3 C．2 D．1 解析：选A。设烟花弹总质量为3m，发射时水平方向的分速度为v，方向向右。由题意可知，爆裂后乙沿水平方向速度为零，丙沿烟花弹发射的路径回落至发射点，根据运动的可逆性可知，爆裂后丙在水平方向的速度大小也为v，方向向左。设爆裂后甲在水平方向的速度为v1，以向右为正方向，则爆裂瞬间，在水平方向上系统动量守恒，根据动量守恒定律有3mv＝－mv＋mv1，解得v1＝4v。爆裂时，甲、丙在竖直方向上分速度均为零，故爆裂时甲与丙速率的比值＝4。 4.(人船模型问题)如图所示，一个质量为m的玩具蛙，蹲在质量为M的小车的细杆上，小车放在光滑的水平桌面上，若车长为L，细杆高为h且位于小车的中点，问：当玩具蛙至少以多大的水平速度v跳出，才能落到桌面上(不计小车的高度，重力加速度为g)。 解析：玩具蛙跳出后做平抛运动，设运动时间为t，则 h＝gt2 玩具蛙与车组成的系统水平方向动量守恒，由动量守恒定律得Mv′－mv＝0 若玩具蛙恰好落在桌面上，则有 v′t＋vt＝ 联立解得v＝。 答案： 学科网（北京）股份有限公司 $